文章编号：0559-9350河流区段洪水资源结构分解基金项目：博士点基金：（200801411002）;“十一五”国家科技支撑计划课题：（ 2006BAB14B05）；; 作者简介：刘建卫（1978-），男（汉族），河北深州人，讲师，主要从事水文水资源、水环境研究刘建卫 胡朝阳 许士国（大连理工大学 水利工程学院，辽宁 大连 116024）摘要：确定区域洪水资源可利用量，将为其他相关问题研究奠定基础基于河流水资源结构分析等研究成果，本文以区域河段水量优化分配与洪水资源利用系统安全运行为目标，首先，结合河流防洪安全与生态安全，确定洪水资源安全利用的阈值，然后对不同设计频率与典型洪水的分配过程进行数值模拟，提取并分析模拟结果，从而确定河段安全应用的洪水频率，并计算可利用洪水资源量研究成果应用于嫩江与洮儿河，确定了相应河段的洪水资源可利用量关键词：洪水资源；可利用量；数值模拟；水资源结构中图分类号：TV213.4 文献标识码：A河流平原区洪水分蓄利用是当前洪水资源利用的重要方式[1]在水资源短缺问题的日益突出的背景下，许多地区将增加洪水资源的有效利用量作为“开源”的一种重要途径[2]。
洪水资源量的确定不仅是区域洪水资源利用中的一个关键问题，同时也是区域洪水资源评价需要解决的重要方面目前，有效的洪水资源量的定量计算方法相对较少因此，解决求解洪水资源量计算方法的问题对于区域洪水资源利用有很大的必要性1. 河流洪水资源利用方式2. 河流洪水运行模拟3.从水资源利用的角度，流域或区域中由降水形成的当地水资源量又可划分为三部分：①②是维系生态系统功能而应保持在河道内和保持一定的地下水合理水位所需要的相应水量；是由于技术手段或经济因素等原因在所预见的未来尚难以被利用的水量；剩余的部分为水资源可利用量，即可供人类经济社会活动消耗利用的河道外一次性最大水量参考文献：[1] 国家防办课题调研组（程殿龙等）.洪水资源化调研报告[R].2004:P1-2[2] 杜国志．洪水资源管理研究[D]．大连：大连理工大学，2005：17[3] 许士国，李文义，周庆瑜.河流水资源结构分析研究[J].大连理工大学学报,2005，Vol45 （6）： P877-882河流洪水资源定量评价研究摘 要：河流洪水的实际演进过程是动态变化的，以往单纯从某一断面来分析洪水资源量有时并不能完全反应区域洪水的实际状况。
针对洪水的这一变化特点，在河流水资源结构划分思想的基础上，以河段为对象，建立了河段实时洪水资源量评价模型和年内河段洪水资源量评价模型，并将其应用于嫩江江桥至大赉河段分别选取洪水频率为20%、10%、5%、2%为典型年，计算了河段实时槽蓄量和年内河段的洪水资源量，分析了不同典型年份河流河段洪水资源量的变化特点及水量组成研究结果表明，所提出的评价模型可以从河流动态变化的角度对河段洪水资源进行定量分析，进而实现分类管理、高效利用关键词：河流洪水资源；结构分解；动态分析；嫩江1 引言长期以来，洪水资源利用在我国水资源利用中具有十分重要的地位特别是水资源短缺问题的日益突出，许多地区将增加洪水资源的有效利用量作为“开源”的一种重要途径[1]洪水资源利用是在我国水资源时空分配不均衡与水资源供需矛盾突出的条件下产生的，洪水在造成淹没、冲刷、侵蚀等灾害的同时，也是重要的淡水、生态、肥力、动力资源[2]，要解决我国的水资源危机，对洪水有效利用是必要的也是必须的[3]而洪水资源量的确定不仅是区域洪水资源利用中的一个关键问题，同时也是区域洪水资源评价需要解决的重要方面目前，有效的洪水资源量的定量计算方法相对较少。
因此，解决求解洪水资源量计算方法的问题对于区域洪水资源利用有很大的必要性我国大部分地区地处季风降雨带；降水量的年内、年际分布不均．一方面，汛期洪水峰高浪急，持续时间较短，往往产生洪水灾害；另一方面，年内其他大部分时间降水量不足，导致旱灾频繁，同样会对经济和环境造成严重损失和威胁严峻的局面迫使人们设法缓解这种矛盾，调节河流水资源，改变其径流过程，实现丰水枯用在当前水资源短缺的形势下，对河流进行微观调控更能有效地发挥水资源对社会经济环境等各方面的作用恰当地对河流水资源进行划分可使得人们能够从微观上对河流水资源在时空上的调配更具有合理性因此，本文以嫩江江桥至大赉河段为研究对象，充分分析了河流水资源和汛期洪水的特性，并在河流水资源结构分解的基础上，从河流动态变化的角度分析不同特征年嫩江江桥至大赉河段水资源结构，进而计算河段瞬时各类水量的蓄水量，为河流洪水实时引蓄提供参考2河流洪水资源定量评价方法2.1河流洪水资源量分类所谓河流水资源，就是大气降水或冰雪融水汇入河流水系的水量，该水量能为生产生活所利用，是维持河流和地区生态环境平衡的重要载体，是地表水资源的重要组成部分[4]为了合理有效优化配置有限的河流水资源，对其结构进行分析就显得格外必要。
根据河流洪水特点和河流水量所承担的不同功能和作用，从生态、利用和防洪角度出发，可以将河流水量分为生态水量、安全水量、风险水量和灾害水量等四个部分[4，5]，与各类水量相对应的流量分别称之为生态流量、安全流量、风险流量和灾害流量图1表示河流河段内洪水资源量分类示意图生态水量安全水量风险水量灾害水量图1 河段洪水资源量分类示意图2.2河流洪水资源量量化计算模型由于洪水在河段演进过程中，流量随着时间维和河长维变化而变化，因此，以往单纯从某一断面来分析某一频率洪水的各类水量并不能完全反应区域洪水的实际状况以河段或流域为整体对区域的洪水资源量进行评价在区域洪水资源利用中将有很重要的意义因此，本文以河段为对象，分别从以下两个角度对河段洪水资源量进行评价1）河段实时洪水资源量评价模型在实际洪水过程中，河段洪水资源量是动态变化的不同时刻、不同位置河段槽蓄洪水资源量是不同的为了更好的实现洪水资源的引蓄，有效实际的反映洪水过程，以下建立了河段实时洪水资源量评价模型该模型求解的目标为某一时刻河段中各类水量的槽蓄水量的大小该模型的建立的条件有：① 将河段微分为多个小河段，小河段蓄水可近似由柱蓄和楔蓄组成② 小河段中槽蓄关系假定为线性变化。
a)涨水阶段 （b）退水阶段图2 河段柱蓄和楔蓄示意图该模型用数学方程表述如下：河段总槽蓄量： (1)x 类水量： (2) (3)其中，Vx(t) 为t时刻河段内的各类蓄水量Sx, i (t), Sx, i+1(t)分别为 t 时刻第 i 小河段段前和段后断面的 x 类水的过水面积li为第 i 小河段的长度过水面积： Sx (t) =Qx (t)/; (4)计算流量取值： (5)其中，Qx(t)为对应计算各类水量的流量取值；Q(t)为断面实际流量过程；Ql1 、Ql2 、Ql3 分别为河段生态流量与安全流量、安全流量与风险流量、风险流量与灾害流量的界限值。
为断面流速2）年内河段洪水资源量评价模型该模型主要的目标为评价典型年年总洪水资源量及各类洪水资源量由于河流某一断面的洪水量值有时未必能真实反映区域洪水的实际状况，因此，评价某一河段的水资源量值以反映区域洪水资源有很重要的理论价值和现实意义将河段微分为多个小河段；整个河段水量按各个小河段各类水量的加权平均计算对于某段时间内河段内的洪水资源量可近似表述为：河段洪水资源总量： (6)x 类水量： (7)其中，x 代表含义同式子（3）Vx 分别为 t1 至 t2 时间段内河段各类水量li为第 i 小河段的长度L为计算河段总长度Qx,i(t)为计算第 i 小河段 x 类水量时的 x 类流量取值，在不同的流量约束下的取值同公式（5）所示3各类水量限值的确定方法① 生态水量下限确定选用河流指示生物，认为指示生物的生存空间得到满足, 其他生物的最小生存空间也得到满足和其他的类群相比, 鱼类在水生态系统中的位置独特一般情况下, 鱼类是水生态系统中的顶级群落,对其它类群的存在和丰度有着重要作用，加之鱼类对低水量最为敏感, 故将鱼类作为指示物。
认为鱼类的最低生态水量得到满足, 则其它类型生物的最低生态水量也得到满足结合嫩江经济鱼类种类和所占比例选择鲤鱼为指示生物，根据已有研究成果，中国北方鱼类繁育所需最佳河流流速0.3～0.4m/s，适宜鲤鱼等经济鱼类活动的区间为0.12m/s～0.70m/s 结合嫩江下游水文、地理特点，可确定不同时段鱼类生存的最小流速，见表1，进而根据不同河段断面数据，可确定相应河段不同时段最低河流生态水量表1 各时段河流最小流速表时段上年12～3月4～6月7～9月10～11月最小流速(m/s)0.120.30.200.15② 安全水量上限确定安全水量上限Ql2按照河流平滩流量来确定，但河流每年不同时段来水量变化比较明显，因此安全水量上限也应随之变动，主要确定方法如下：河流主河槽边缘滩地高程多低于远离主河槽滩地高程，因此暂假定主河槽边缘滩地高程低于滩地平均高程差值为Δh1，远离主河槽处滩地高程高于滩地平均高程差值为Δh2，确定这两个数值时可以参照背水侧地面平均高程以及河滩地的实际高程数值，由下述公式得到不同时期河流平滩水位： (8)其中，H为河滩地平均高程；h1为少水期平滩水位；h2为汛前平滩水位；h3为汛期平滩水位；h4为汛末平滩水位；为高差变动系数，可根据需要在0-1之间取值；Δh1，Δh2根据河道断面实际高程确定。
对于河段的安全水量限值按河段最小过水断面确定③ 风险水量和灾害水量限值确定在确定风险水量和灾害水量界限Ql3时，参照河流防洪控制断面特征水位来确定参照河流多年水位流量资料和洪水灾害资料，以各站警戒水位所对应河流流量作为确定Ql3的依据采用河流警戒水位所对应的流量作为风险水量和灾害水量的界限Ql34 嫩江江桥至大赉河段洪水资源量计算河段划分根据嫩江江桥水文站至大赉水文站之间实测横断面进行划分，断面间距为5-6km各小河段断面的流量值由一维水动力模型河道洪水演进模拟计算所得计算典型年分别选取频率为20%，10%，5%，2%的中小洪水年份，对1953-2002年江桥站多年水文资料年水量进行排频计算分析，洪水频率对应典型年见表2图3为江桥水文站各典型年洪水流量过程线表2不同频率洪水典型年份洪水频率20%10%5%2%代表年份1963198419881957图3 各典型年洪水流量过程线4.1 河段槽蓄量计算分析应用河段实时洪水资源量评价模型公式（1）、（2）、（4）、（5）对不同典型年洪水进行计算，河段四类洪水槽蓄量实时变化过程如图4所示a) 20%典型年1963年 (b) 10%典型年1984年(c) 5%典型年1988年 (d) 2%典型年1957年图4 各典型年江桥至大赉河段蓄水量变化过程示意图 根据图4河段槽蓄水量实时变化过程分析，由于河段入流、出流及段内洪水过程在时间维和空间维上的差别，因此，在不同时刻、不同位置河槽内的储蓄的水量是变化的。
河段内总槽蓄水量与河段入流量过程变化过程线趋于一致由图可知，对于中小洪水年份，河段内生态槽蓄量和安全槽蓄量变化稳定，而风险槽蓄量和灾害槽蓄量浮动变化较大，尤其灾害槽蓄量如表3和图5反映了代表年份最大槽蓄量与灾害最大槽蓄量的变动趋势随着洪水量级的增大，河段内最大灾害水量分别从20%洪水年份的0.5×108 m3 逐渐增加至10%洪水年份的2.9×108 m3、5%洪水年份的10.1×108 m3及2%洪水年份的10.6×108 m3如下表为个河段的实时洪水资源量的变化和年内各类 表3 各典型年河段内最大槽蓄量与灾害槽蓄量典型年份20%10%5%2%最大槽蓄量/ 108 m315.618.725.125.7最大灾害槽蓄量/ 108 m30.52.910.110.6图5 各典型年河段内最大槽蓄量与灾害槽蓄量变动趋势图4.2 河流洪水资源量计算分析通过年内河段洪水资源量评价模型计算公式（6）、（7）计算典型年四类水量及其占总水量的比例如表4所示。
对比分析发现，典型年生态水量和安全水量所占比例较高，属基础水量而洪水量级的增大导致风险水量和灾害水量的出现并随之增大，如图6所示表4 典型年各类水资源量及所占总水量比例水量分类典型年20%10%5%2%生态水量量值/ 108 m382.576.781.784.4所占百分比28.40%23.50%22.60%22.20%安全水量量值/ 108 m3190.2203.1215.8216.3所占百分比65.40%62.30%59.60%56.90%风险水量量值/ 108 m317.738.739.439.3所占百分比6.10%11.90%10.90%10.30%灾害水量量值/ 108 m30.47.725.440.2所占百分比0.10%2.40%7.00%10.60%总水量量值/ 108 m3290.8326.2362.3380.2图6 各典型年河段四类水量分配示意图由于河道中风险水量和灾害水量易造成洪灾，因此，可引蓄洪水资源量认为是风险水量和灾害水量之和由计算结果可知：20%洪水年份洪水资源可利用量有18.1 亿m3，占总水量的6.2%；10%、5%、2%洪水年份洪水资源可利用量和占总水量的比例依次为：46.4 亿m3和14.3%、64.8亿m3和17.9%、79.5 亿m3和20.9%。
4 结语洪水资源量值的评价是洪水资源利用中的重要因素，考虑河流洪水过程的动态变化的特点，本文的研究有以下结论：1）基于水资源结构分解理论的基础上，以河段为研究对象，建立了河流洪水资源定量评价模型①河段实时洪水资源量评价模型，可用于计算不同时刻河段内槽蓄洪水资源量及其变化过程；②年内河段洪水资源量评价模型，可评价典型年洪水资源量及各分类洪水量的大小2）以嫩江江桥至大赉河段为例进行了实例计算，结果表明，典型年内生态水量占据了河流水资源中最稳定的部分，安全水量则是各洪水年份的主题部分，所占比例最大而易造成灾害的水量——风险水量和灾害水量随洪水量级的增大比例显著增加实时洪水过程中，河段内槽蓄水量与河道流量过程趋于一致，峰现时刻即为各类槽蓄水量最大的时刻因此，本文提出的河流洪水资源量评价方法可以为河流洪水资源利用的定量结构分析、引蓄时机选择和分类高效利用提供理论基础和技术支持参考文献[1] 胡庆芳, 王银堂. 海河流域洪水资源利用评价研究[J]. 水文, 2009,29(5):6-12.[2] 张欧阳, 等. 洪水的灾害与资源效应及其转化模式[J]. 自然灾害学报, 2003, 12(1): 25-30[3] 许士国, 党连文, 牟志录. 嫩江1998年特大洪水环境影响分析[J]. 大连理工大学学报，2003, 43(1): 114—118．[4] 许士国, 李文义, 周庆瑜. 河流水资源结构分析研究[J]. 大连理工大学学报, 2005, 45(6): 877-882.[5] 许士国, 李文义. 河流水资源结构分解及其应用研究[J]. 大连理工大学学报, 2008,48(5): 726-732.[6] 倪晋仁, 金 玲, 赵业安, 等. 黄河下游河流最小生态环境需水量初步研究[J]. 水利学报, 2002(10): 1-7.。